Интеграционная схема. Большая интегральная схема

В ранних электрических компьютерах компонентами схемы, выполнявшими операции, были вакуумные трубки. Эти трубки, напоминавшие электрические лампочки, потребляли много электроэнергии и вьщеляли много тепла. Все изменилось в 1947 году с изобретением транзистора. В этом маленьком устройстве использовался полупроводниковый материал, названный так за способность как проводить, так и задерживать электрический ток, в зависимости от того, есть ли электрический ток в самом полупроводнике. Эта новая технология позволила строить все виды электрических переключателей на кремниевых микросхемах. Схемы на транзисторах занимали меньше места и потребляли меньше энергии. Для более мощных компьютеров были созданы интегральные схемы, или ИС.

В наше время транзисторы стали микроскопически малы, и вся цепь ИС помещается на кусочке полупроводника площадью 1 дюйм квадратный. Маленькие блоки, рядами смонтированные на печатной плате компьютера, и есть интегральные схемы, заключенные в пластиковые корпуса. Каждая микросхема содержит набор простейших элементов схемы, или устройств. Большую их часть занимают транзисторы. ИС может также включать диоды, которые позволяют электрическому току идти только в одном направлении, и резисторы, которые блокируют ток.
Неподвижные части. Во внутренних отделах компьютера ряды интегральных схем в защитных корпусах, как показано внизу, смонтированы на печатной плате компьютера (зеленый цвет). Каждая бледно-зеленая линия обозначает дорожку, по которой идет электрический ток; все вместе они образуют «магистрали», по которым от схемы к схеме проводится электрический ток.

Крошечные связные. По краю микросхемы сильно намагниченные проводки, напоминающие человеческие волоски, посылают электрические сигналы от электрической цепи (им. сверху). Эти золотые или алюминиевые проводки практически не подвержены коррозии и хорошо проводят электричество.

Анатомия транзистора
Транзисторы - основные микроскопические элементы электронной схемы - это переключатели, которые включают и выключают электрический ток. Маленькие металлические дорожки (серый цвет) проводят ток (красный и зеленый цвета) из этих устройств. Организованные в комбинацию, называемую логическими «воротами» (логической схемой), транзисторы реагируют на электрические импульсы разнообразными предустановленными способами, позволяя компьютеру выполнять широкий спектр задач.

Логическая схема. В случае если поступающий электрический ток (красные стрелки) активизирует базу каждого транзистора, питающий ток (зеленые стрелки) устремится к проводку вывода.

Большие интегральные схемы

Одним из важнейших путей совершенствования вычислительной техники является широкое применение в ней достижений современной микроэлектроники. Успехи полупроводниковой интегральной электроники привели к созданию нового класса сложных функциональных электронных изделий - больших интегральных схем, которые стали основной элементной базой ЭВМ четвертого поколения (конец 70-х годов).

В одной такой схеме объёмом всего лишь в доли кубического сантиметра размещается блок, занимавший в ЭВМ первого поколения целый шкаф. В результате достигнуто существенное повышение производительности ЭВМ.

Если в ЭВМ третьего поколения быстродействие достигает 20-30 млн операций в секунду, то в машинах четвёртого поколения производительность достигает сотен миллионов операций в секунду. Соответственно возрастает и объём памяти. Наряду с усовершенствованием традиционных устройств памяти на магнитных дисках и лентах создаётся память без движущихся частей. Общий объём внешней памяти в крупных машинах четвёртого поколения превосходит 10 14 символов, что эквивалентно библиотеке, состоящей из нескольких миллионов объёмистых томов.

БИС созданы в результате естественного развития интегральных схем. Предпосылкой их появления является освоение электронной промышленностью планарной технологии изготовления кремниевых полупроводниковых приборов. Принципиальная новизна этой технологии состоит в том, что она позволила заменить обычные дискретные компоненты диффузионными или тонкоплёночными компонентами.

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) - резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли).

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). Основу набора обычно составляют большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). В ближайшем будущем следует ожидать появления ультрабольших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа - рисунок - схема". По программам на запыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев.

На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре. Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400-600 мм2 для процессоров (например, Pentium) и 200-400 мм2 - для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,25-0,135 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,13; 0,10 и даже 0,08 мкм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах повсеместно начинают применять медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы - и она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в "чистых помещениях класса 1", микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфеpa создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении КГ4 Торр.

В настоящее время основой построения всех микросхем была и остается КМоп-технология (комплементарные схемы, т.е. совместно использующие п- и р-переходы в транзисторах со структурой "металл - окисел - полупроводник").

Однако появление БИС породило очень серьезную проблему-"что положить на подложку" или, другими словами, каким образом реализовать устройство на схемах с таким колоссальным количеством элементов.

Первым и довольно естественным решением этой проблемы явилось изготовление так называемых заказных схем, разрабатываемых каждый раз специально для использования в конкретной аппаратуре. В то же время проектирование заказных БИС - весьма длительный и трудоемкий процесс, использующий сложные человеко-машинные системы автоматизированного проектирования. Поэтому разработка и изготовление заказных БИС могут быть экономически оправданы только при массовом производстве аппаратуры, в которой эти схемы применяются.

Хорошей альтернативой заказным БИС явились микропроцессорные наборы - совокупность больших интегральных схем, реализующих сложные функции цифровой аппаратуры. Из этих "кирпичей" достаточно просто строятся микрокомпьютеры (микро-ЭВМ), получившие исключительное развитие и нашедшие широкое применение в разнообразных системах управления.

Микропроцессор является универсальным устройством, способным реализовать любую логическую функцию. Однако программная реализация логики управления осуществляется сравнительно медленно, микропроцессор зачастую не способен обеспечить необходимое быстродействие. В связи с этим в настоящее время широкое распространение получили программируемые БИС с матричной структурой, среди которых особое место занимают программируемые логические матрицы (ПЛМ) - большие интегральные схемы, сочетающие регулярность структуры полупроводникового запоминающего устройства (ЗУ) с универсальностью микропроцессора. ПЛМ обладает существенными преимуществами перед микропроцессором при реализации сложных алгоритмов управления.

В качестве функциональных узлов БИС, ориентированных на реализацию булевых функций, широко используются так называемые матричные схемы.

Матричная схема представляет собой сетку ортогональных проводников, в местах пересечения которых могут быть установлены полупроводниковые элементы с односторонней проводимостью (ЭОП) - диоды или транзисторы.

Рассмотрим матрицы М1и М2 на рисунке №1. Способ включения ЭОП в местах пересечения шин матрицы М1 позволяет реализовать на любом из её выходов любую конъюнкцию её входных переменных, взятых со знаком либо без знака инверсии.

Рисунок №1

Матрица М2 имеет 4 вертикальных и 2 горизонтальных шины. Способ включения ЭОП в местах пересечения шин М2 позволяет реализовать на любом из её выходов любую дизъюнкцию её входных переменных.

Если соединить эти матрицы как показано на рисунке №2, то можно заметить, что любая система булевых функций у1. yn водных переменных x1. xn может быть реализована двухуровневой матричной схемой, на первом уровне которой образуются различные элементарные конъюнкции, а на втором - дизъюнкции соответствующих конъюнкций (y1…yn).

В итоге построение схем с матричной структурой сводится к определению точек пересечения шин, где должны быть включены ЭОП.

Рисунок №2

По способу программирования различают матрицы, настраиваемые (программируемые) на заводе-изготовителе, пользователем и репрограммируемые (многократно настраиваемые).

В матрицах первого типа соединение ЭОП с шинами осуществляется 1 раз с помощью специальных масок, используемых для металлизации определённых участков кристалла БИС. После изготовления БИС полученные соединения изменены быть не могут.

Матрицы второго типа поставляются потребителю не настроенными и содержащими ЭОП в каждой точке пересечения их шин. Настройка сводится к удалению (отключению) некоторых ненужных ЭОП. Физически процесс настройки осуществляется различными способами, например, путём пропускания серии импульсов тока достаточно большой амплитуды через соответствующий ЭОП и разрушения плавкой перемычки, включённой последовательно с этим ЭОП и соединяющей его с одной из шин в точке их пересечения.

Матрицы третьего типа позволяют осуществлять программирование неоднократно. Повторное программирование выполняется электрическим способом после стирания содержимого матриц под действием ультрафиолетового (иногда рентгеновского) облучения или электрическим способом отдельно для каждого ЭОП.

Так же необходимо сказать несколько слов о так называемых программируемых матрицах.

Программируемая логическая матрица (ПЛМ) представляет собой функциональный блок, созданный на базе полупроводниковой технологии и предназначенный для реализации логических схем цифровых систем. В зависимости от внутренней организации программируемые логические матрицы можно разделить на ПЛМ комбинационной логики и ПЛМ с памятью.

Следует отметить, что на кристалле БИС ПЛМ предусмотрена специальная система шин, позволяющая соединять выходы донной матрицы с входами другой. Выполнение разрезов шин и организация необходимых связей между входами и выходами различных матриц осуществляются на этапе настройки ПЛМ на заводе изготовителе.

Введение

В настоящее время главными задачами при создании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронно-вычислительных машин (ЭВМ) является увеличение скорости работы и уменьшение физических размеров. Для этого улучшаются характеристики и параметры элементов и интегральных микросхем, также происходит их оптимизация. Однако, при переходе работы устройств в наносекундный диапазон возникают новые проблемы, связанные с искажением сигналов в линиях связи. С повышением быстродействия логических схем скорость преобразования информации приближается к скорости её передачи, а при задержках логических элементов становится сравнимой с ней. В этом случае улучшение динамических характеристик самих элементов может не дать желаемого эффекта. Так как интегральные схемы как правильно, являются компонентами печатных плат, то необходим комплексный подход к проектированию печатных плат.

Следовательно при проектировании печатных узлов необходимо это учитывать, и искать методы которые позволяют существенно повысить помехоустойчивость аппаратуры. Также необходимо учитывать проблемы питания. целостность сигнал интегральный конденсатор

В данной работе мы проведем исследование, и покажем что при правильной разработке печатных плат мы можем значительно сократить возникающее помехи при передачи информации.

Интегральные схемы

История развития интегральных схем

Интегральная схема - электронная микросхема изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. Большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой -- ИС, заключённую в корпус.

История появления интегральных схем берет своё начало со второй половины двадцатого века. Их возникновение было обусловлено острой необходимостью повышения надёжности аппаратуры и автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем.

Другой причиной создания ИС стала технологическая возможность размещения и соединения между собой множества электронных компонентов - диодов, транзисторов и так далее, на одной пластине полупроводника. Дело в том, что созданные к тому времени меза- и планарные транзисторы и диоды изготавливались по технологии групповой обработки на одной пластине-заготовке одновременно.

Концепция ИС была предложена задолго до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. Первые в мире ИС были разработаны и созданы в 1959 году американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга.

В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments из фирмы Centralab - в ней он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов, для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n -переходы. Оставалось только научиться создавать такие переходы в монолите кремния.

Многие недостатки "твёрдых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом. С января 1959 года, занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor (FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с помощью смещённых в обратном направлении р-n -переходов и соединения элементов через отверстия в окисле путём напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов в тесном контакте со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах.

Разработки ИС стали продвигаться лихорадочными темпами. Фирма FS пригласила в качестве разработчика схем Роберта Нормана из фирмы Sperry. Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, выбранной в качестве основы для будущей серии ИС - Micrologic... Это было начало новой эры.

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

• · малая интегральная схема (МИС) -- до 100 элементов в кристалле,
• · средняя интегральная схема (СИС) -- до 1000 элементов в кристалле,
• · большая интегральная схема (БИС) -- до 10 тыс. элементов в кристалле,
• · сверхбольшая интегральная схема (СБИС) -- более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) -- от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) -- более 1 млрд. элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

Классификация интегральных схем

По конструктивно-технологическому исполнению различают полу-проводниковые, пленочные и гибридные ИС.

К полупроводниковым относят ПМС (полупроводниковые интег-ральные микросхемы), все элементы и межэлементные,соединения которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В зависимости от способов изоляции отдельных элементов различают ПМС с изоляцией p-n-переходами и микросхемы с диэлектрической (оксидной) изоляцией. ПМС можно изготовить и на подложке из ди-электрического материала на основе как биполярных, так и поле-вых транзисторов. Обычно в этих схемах транзисторы выполнены в виде трехслойных структур с двумя р-n-переходами (n-p-n-типа), а диоды — в виде двухслойных структур с одним р-л-переходом. Иног-да вместо диодов используют транзисторы в диодном включении. Резисторы ПМС, представленные участками легированного полу-проводника с двумя выводами, имеют сопротивление несколько ки-лоомов. В качестве высокоомных резисторов иногда используют об-ратное сопротивление р-n-перехода или входные сопротивления эмнт-терных повторителей. Роль конденсаторов в ПМС выполняют обратно смещенные p-rt-переходы. Емкость таких конденсаторов составляет 50 — 200 пФ. Дроссели в ПМС создавать трудно, поэтому большинство устройств проектируют без индуктивных элементов. Все элементы ПМС полу-чают в едином технологическом цикле в кристалле полупроводника. Соединения элементов таких схем осуществляются с помощью алю-миниевых или золотых пленок, получаемых методом вакуумного на-пыления. Соединение схемы с внешними выводами производят алю-миниевыми или золотыми проводниками диаметром около 10 мкм, которые методом термокомпрессии присоединяют к пленкам, а за-тем приваривают к внешним выводам микросхемы. Полупроводниковые микросхемы могут рассеивать мощность 50 — 100 мВт, работать на частотах до 20 — 100 МГц, обеспечивать время задержки до 5 не. Плотность монтажа электронных устройств на ПМС — до 500 элементов на 1 см3. Современный групповой технологический цикл позволяет обра-батывать одновременно десятки полупроводниковых пластин, каж-дая из которых содержит сотни ПМС с сотнями элементов в кристал-ле, связанных в заданные электронные цепи. При такой технологии обеспечивается высокая идентичность электрических характеристик микросхем.

Пленочными интегральными (или просто пленочными схемами ПС) называют ИС, все элементы и межэлементные соединения кото-рой выполнены только в виде пленок. Интегральные схемы подраз-деляют, на тонко- и толстопленочные. Эти схемы могут иметь коли-чественное и качественное различие. К тонкопленочным условно от-носят ИС с толщиной пленок до 1 мкм, а к толстопленочным — ИС с толщиной пленок выше 1 мкм. Качественное различие определяется технологией изготовления пленок. Элементы тонкопленочной ИС наносят на подложку с помощью термовакуумного осаждения и катод-ного распыления. Элементы толстопленочных ИС изготовляют преи-мущественно методом шелкографии с последующим вжиганием.

Гибридные интегральные микросхемы (ГИС) представляют со-бой сочетание навесных активных радиоэлементов (микротранзисто-ров, диодов) и пленочных пассивных элементов и их соединений. Обычно ГИС содержат: изоляционные основания из стекла или. ке-, рамики, на поверхности которых сформированы пленочные проводни-ки, резисторы, конденсаторы небольшой емкости; навесные бескор-пусные активные элементы (диоды, транзисторы); навесные пассив-ные элементы в миниатюрном исполнении (дроссели, трансформато-ры, конденсаторы большой емкости), которые не могут быть выпол-нены в виде пленок. Такую изготовленную ГИС герметизируют в пластмассовом или металлическом корпусе. Резисторы сопротивлением от тысячных долей ома до десятков килоомов в ГИС изготовляют в виде тонкой пленки нихрома или тантала. Пленки наносят на изоляционную основу (подложку) и под-вергают термическому отжигу. Для получения резисторов с сопро-тивлением в десятки мегаомов используют металлодиэлектрическив смеси (хрома, монооксида кремния и др.). Средние размеры пленоч-ных резисторов-(1 — 2)Х10~3 см2. Конденсаторы в ГИС выполняют из тонких пленок меди, сереб-ра, алюминия или золота. Напыление этих металлов производят с подслоем хрома, титана, молибдена, обеспечивая хорошую адгезию с изоляционным материалом подложки. В качестве диэлектрика в конденсаторах используют пленку из оксида кремния, бериллия, двуоксида титана и т. д. Пленочные конденсаторы изготовляют ем-костью от десятых долей пикофарады до десятков тысяч пикофарад размером от 10~3 до 1 см2. Проводники ГИС, с помощью которых осуществляют межэле-ментные соединения -и подключение к выводным зажимам, выпол-няют в виде тонкой пленки золота, меди или алюминия с подслоем никеля, хрома, титана, обеспечивающем высокую адгезию к изоля-ционному основанию. Гибридные интегральные схемы, у которых толщина пленок, образующихся при изготовлении пассивных эле-ментов, до 1 мкм с шириной 100 — 200 мкм,-относят к тонкопленоч-ным. Такие пленки получают методом термического напыления на поверхности подложек в вакууме с использованием трафаретов, ма-сок. Гибридные интегральные схемы с толщиной 1 мкм и более от-носят к толстопленочным и изготовляют путем напыления на подложки токопроводящих или диэлектрических паст через сетчатые трафареты с последующим их вжиганием в подложки при высокой температуре. Эти схемы имеют большие размеры и массу пассивных элементов. Навесные активные элементы состоят из гибких или жест-ких «шариковых» выводов, которые пайкой или сваркой присоединя-, ют к пленочной микросхеме.

Плотность пассивных и активных элементов при их многослой-ном расположении в ГИС, выполненной по тонкопленочной техноло-гии, достигает 300 — 500 элементов на 1 см3, а плотность монтажа электронных устройств на ГИС — 60 — 100 элементов на 1 см3. При такой плотности монтажа объем устройства, содержащего-107 эле-ментов, составляет 0,1 — 0,5 м3, а время безотказной работы — 103 — 104 ч. -

Основным преимуществом ГИС является возможность частичной интеграции элементов, выполненных по различной технологии (бипо-лярной, тонко- и толстопленочной и др.) с широким диапазоном электрических параметров (маломощные, мощные, активные, пассив-ные, быстродействующие и др.).

В настоящее время перспективна гибридизация различных типов интегральных схем. При малых геометрических размерах пленочных элементов и большой площади пассивных подложек на их поверхно-сти можно разместить десятки — сотни ИС и других компонентов. Та-ким путем создают многокристальные гибридные ИС с большим чис-лом (несколько тысяч) диодов, транзисторов в неделимом элементе. В комбинированных микросхемах можно разместить функциональ-ные узлы, обладающие различными электрическими характеристи-ками.

Сравнение ПМС и ГИС. Полупроводниковые микросхемы со сте-пенью интеграции до тысяч и более элементов в одном кристалле получили преимущественное. распространение. Объем производства ПМС на порядок превышает объем выпуска ГИС. В некоторых уст-ройствах целесообразно применять ГИС по ряду причин.

Технология ГИС сравнительно проста и требует меньших перво-начальных затрат на оборудование, чем полупроводниковая техно-логия, что упрощает создание нетиповых, нестандартных изделий и аппаратуры.

Пассивная часть ГИС изготовляется на отдельной подложке, что позволяет получать пассивные элементы высокого качества и создавать высокочастотные ИС.

Технология ГИС дает возможность заменять существующие ме-тоды многослойного печатного монтажа при размещении на подлож-ках бескорпусных ИС и БИС и других полупроводниковых компо-нентов. Технология ГИС предпочтительна для выполнения силовых ИС на большие мощности. Предпочтительно также гибридное испол-нение интегральных схем линейных устройств, обеспечивающих про-порциональную зависимость между входными и выходными сигна-лами. В этих устройствах сигналы изменяются в широком интерва-ле частот и мощностей, поэтому их ИС должны обладать широким диапазоном номиналов, не совместимых в едином процессе изготов-ления пассивных и активных элементов. Большие интегральные схе-мы БИС допускают объединение различных функциональных узлов, в связи с чем они получили широкое распространение в линейных устройствах.

Преимущества и недостатки интегральных схем.

• Преимуществом ИС являются высокая надежность, малые размеры и масса. Плот-ность активных элементов в БИС достигает 103 — 104 на 1 см3. При установке микросхем в печатные платы и соединении их в блоки плотность элементов составляет 100 — 500 на 1 см3, что в 10 — 50 раз выше, чем при использовании отдельных транзисторов, диодов, ре-зисторов в микромодульных устройствах.
• Интегральные схемы безынерционны в работе. Благодаря не-большим, размерам в микросхемах снижаются междуэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводов, что позволяет использовать их на сверхвысоких частотах (до 3 ГГц) и в логичес-ких схемах с малым временем задержки (до 0,1 не).
• Микросхемы экономичны (от 10 до 200 мВт) и уменьшают рас-ход электроэнергии и массу источников питания.

Основным недостатком ИС является малая выходная мощность (50 — 100 мВт).

В зависимости от функционального назначения ИС делят на две основные категории — аналоговые (или линейно-импульсные) и цифровые (или логические).

Аналоговые интегральные схемы АИС используются в радио-технических устройствах и служат для генерирования и линейного усиления сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции в широком диапазоне мощностей и частот. Вследствие этого анало-говые ИМС должны содержать различные по номиналам пассивные и по параметрам активные элементы, что усложняет их разработку. Гибридные микросхемы уменьшают трудности изготовления аналого-вых устройств в микроминиатюрном исполнении. Интегральные мик-росхемы становятся основной элементной базой для радиоэлектрон-ной аппаратуры.

Цифровые интегральные схемы ЦИС применяются в ЭВМ, уст-ройствах дискретной обработки информации и автоматики. С по-мощью ЦИС преобразуются и обрабатываются цифровые коды. Ва-риантом этих схем являются логические микросхемы, выполняющие операции над двоичными кодами в большинстве современных ЭВМ и цифровых устройств.

Аналоговые и цифровые ИС выпускаются сериями. В серию входят ИС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначают-ся для совместного применения. Каждая серия содержит несколько различающихся типов, которые могут делиться на типономиналы, имеющие конкретное функциональное назначение и условное обозна-чение. Совокупность типономиналов образует тип ИС.

Развитие микроэлектроники привело в начале 70-х годов к появлению узкоспециализированных БИС, содержащих сотни и тысячи логических элементов и выполняющих одну или ограниченное число функций. Разнообразие типов цифровой аппаратуры требовало расширения номенклатуры БИС, что сопряжено с неприемлемыми с точки зрения экономики затратами. Выходом из этого положения явилась разработка и крупносерийное производство ограниченной номенклатуры БИС, выполняющих разнообразные функции, зависящие от внешних управляющих сигналов. Совокупности таких БИС образуют микропроцессорные комплекты и позволяют строить разнообразную цифровую аппаратуру любой сложности. Важнейшим суперкомпонентом комплекта БИС является микропроцессор (МП): универсальная стандартная БИС, функции которой определяются заданной программой.

Качественной особенностью МП является возможность их функциональной перестройки с помощью изменения внешней программы. По сути, МП представляют собой центральные процессорные элементы ЭВМ, выполненные в виде одной или нескольких БИС.

Главное отличие МП от других типов интегральных схем- способность к программированию последовательности выполняемых функций, т. е. возможность работы по заданной программе.

Таблица 4.1

Внедрение микропроцессоров позволяет изменять принцип проектирования цифровой аппаратуры. Раньше для реализации нового алгоритма требовалась новая разработка аппаратуры. Теперь при использовании МП для реализации нового алгоритма не требуется новой аппаратуры, достаточно изменить соответствующим образом программу его работы. Указанная особенность и объясняет огромный интерес, проявляемый у нас в стране и за рубежом к микропроцессорным устройствам.

Короткий интервал времени (1971-1975 гг.) характеризуется появлением МП самых разнообразных модификаций. В настоящее время число типов МП в мире превышает 1000.

Параметры основных типов отечественных микропроцессорных комплектов (МПК) приведены в табл. 4.1.

4.2. Структуры микропроцессоров

Упрощенная структурная схема МП приведена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1

Рисунок 4.2

Микропроцессор содержит арифметически-логическое устройство АЛУ, запоминающие устройства ЗУ для оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ) хранения информации, устройство управления, осуществляющее прием, расшифровку команд и задающее последовательность их выполнения, а также устройства ввода-вывода (УВВ) информации, с помощью которого вводятся исходные и выводятся полученные в результате работы МП данные.

Микропроцессоры обрабатывают 2-, 4-, 8-, 16-, 32-разрядные числа, выполняют 30...500 команд сложения, вычитания, сдвига, логических операций. Четырех- и восьмиразрядные МП представляют собой БИС с размерами кристалла 5 х 5 х 0,2 мм.

Обобщенная структурная схема МП приведена на рис. 4.2. Арифметическо-логическое устройство АЛУ совершает различные арифметические и логические операции над числами и адресами, представленными в двоичном коде. Состав операций, выполняемых АЛУ, определен списком инструкций (набором команд). В набор команд входят, как правило, арифметические и логические сложения и умножения, сдвиги, сравнения и т. п. Арифметические операции выполняются в соответствии с правилами двоичной арифметики. Логические операции выполняются по правилам булевой алгебры.

В состав АЛУ входят сумматор, сдвигатели, регистры и другие элементы.

Устройство управления управляет работой АЛУ и всех других блоков МП. В УУ поступают команды из блока памяти. Здесь они преобразуются в двоичные сигналы управления для выполнения данной команды. Работа УУ синхронизируется таймером, распределяющим процесс выполнения команды во времени. Команда представляет собой двоичное слово из 8, 16, 24 разрядов и более (до 64), часть которых представляет код операции, а остальные распределены между адресами данных (операндов) в памяти. Команда с 16-разрядной адресной частью позволяет обращаться к 2 16 -1=65635 ячейкам памяти. Этого количества, как правило, вполне достаточно для задач, решаемых МП. Такое обращение к памяти называется прямой адресацией.

Однако чаще применяется косвенная адресация, которая необходима, когда разрядность адресной части меньше, чем требуется. В этом случае, адресация проводится в два этапа. На первом этапе по адресу, содержащемуся в команде, выбирается ячейка, содержащая адрес другой ячейки, из которой на втором этапе выбирается операнд. Команда при косвенном методе адресации должна содержать один разряд признака операнда, состояние которого определяет, что выбирается на данном этапе: адрес операнда или сам операнд? Конечно, косвенный способ адресации медленнее прямого. Он позволяет за счет наращивания объема памяти адресов обращаться к числу операндов в 2 n раза (где n-разрядность адресной части команды) большему, чем при прямом способе.

Управляющее устройство любую операцию согласно коду, заданному командным словом, распределяет на последовательность фаз (фазы адресации и фазы выполнения), называемую циклом. Из-за ограниченной разрядности МП действия над операндами большой разрядности могут выполняться за два и более циклов. Очевидно, что это в 2 и более раз снижает быстродействие МП. Отсюда следует интересный и практически важный вывод: быстродействие МП находится в обратной зависимости от точности, однозначно определяемой разрядностью операндов.

Микропроцессор содержит блок регистров (Р). Рабочие регистры МП физически представляют собой одинаковые ячейки памяти, служащие для сверхоперативного хранения текущей информации (СОЗУ). По выполненным функциям Р содержит группы, связанные с определенными элементами структуры МП.

Два регистра операндов (О) в течение выполнения операции в АЛУ хранят два двоичных числа. По окончании операции в первом регистре число заменяется результатом, т. е. как бы накапливается (отсюда и название регистра «аккумулятор»). Содержимое второго регистра операндов заменяется в следующей операции другим операндом, в то время как содержимое аккумулятора может быть сохранено по ряду специальных команд.

Регистр команд (К) хранит в течение выполнения операции несколько разрядов командного слова, представляющих собой код этой операции. Адресная часть командного слова содержится в регистре адреса А.

После реализации какой-либо операции разрядность результата может оказаться больше разрядности каждого из операндов, что регистрируется состоянием специального флагового регистра, иногда называемого триггером переполнения. В процессе отладки составленной программы программист должен следить за состоянием флагового регистра и в случае необходимости устранять возникшее переполнение.

Очень важными в системе команд МП являются команды переходов к выполнению заданного участка программы по определенным признакам и условиям, так называемые команды условных переходов. Наличие таких команд определяет уровень «интеллектуальности» МП, так как характеризует его способность принимать альтернативные решения и выбирать различные пути в зависимости от возникающих в ходе решения условий. Для определения таких условий служит специальный регистр состояний (С), фиксирующий состояние МП в каждый момент выполнения программы и посылающий в УУ сигнал перехода к команде, адрес которой содержится в специальном регистре, называемом счетчиком команд (СК). Команды в памяти записываются в определенной программной последовательности по адресам, образующим натуральный ряд, т. е. адрес следующей команды отличается от адреса предыдущей на единицу. Поэтому при реализации непрерывной последовательности команд адрес следующей команды получается путем прибавления к содержимому СК единицы, т. е. образуется в результате счета. Назначение СК-нахождение необходимых адресов команд, причем при наличии в программе команд перехода очередная команда может не иметь следующего адреса. В таком случае в СК записывается адресная часть команды перехода.

Регистры общего назначения (РОН) используются для хранения промежуточных результатов, адресов и команд, возникающих в ходе выполнения программы, и могут связываться по общим шинам с другими рабочими регистрами, а также со счетчиками команд и блоком ввода-вывода информации. В МП обычно содержите» 10...16 РОН разрядностью 2...8 бит каждый. Количество РОН косвенно характеризует вычислительные возможности МП.

Особый интерес представляет наличие у многих моделей МП группы регистров, имеющих магазинную или стековую организацию - так называемые стеки. Стек позволяет без обмена с памятью организовать правильную последовательность выполнения различных последовательностей арифметических действий. Операнд или другая информация может посылаться в стек без указания адреса, поскольку каждое помещаемое в него слово занимает сначала первый регистр, затем «проталкивается» последующими словами каждый раз на регистр глубже. Вывод информации происходит в обратном порядке, начиная с первого регистра, в котором хранится слово, посланное в стек последним. При этом последние регистры очищаются.

Блоки АЛУ, УУ, Р образуют центральный процессор (ЦП), входящий в состав, любой ЭВМ: выделенный на рис. 4.2 штриховой линией. В состав МП может, входить таймер (Т), использующий навесной времязадающий конденсатор или кварцевый резонатор. Таймер - сердце МП, поскольку его работа определяет динамику всех информационных, адресных и управляющих сигналов и синхронизирует работу УУ, а через него и других элементов структуры. Частота синхронизации, называемая тактовой, выбирается максимальной и ограничивается только задержками прохождения сигналов, определяемыми в основном технологией изготовления БИС. Скорость выполнения микропроцессором программы прямо, пропорциональна тактовой частоте.

В составе МП может быть устройство ввода-вывода (УВВ) для обмена информацией между МП и другими устройствами.

Сигналы трех видов - информационные, адресные и управляющие - могут передаваться по одной, двум или трем шинам. Шина представляет собой группу линий связи, число которых определяет разрядность одновременно передаваемой по ней двоичной информации.

Число линий информационной шины (ИШ) определяет объем информации, получаемой или передаваемой МП за одно обращение к памяти, к устройству ввода или вывода. Большинство МП имеет 8-шиниую информационную магистраль. Это позволяет за один раз принять восемь двоичных единиц информации (1 байт). Один байт информация может содержать один из 256 возможных символов алфавита источника информации или один из 256 возможных кодов операций. Такое количество допустимых символов и типов операций для большинства применений является достаточным.

Существуют МП, содержащие 16 и 32 шины в информационной магистрали.

Число линий в шине управления (VIII) зависит от порядка взаимодействия между МП, ЗУ, внешними УВВ информации. Обычно шины управления содержат 8... 16 линий.

4.3. МикроЭВМ

Важным итогом развития программируемых БИС явилась разработка микроЭВМ. Если микроЭВМ создается на одной интегральной микросхеме, то она называется однокристальной. Упрощенная структурная схема микроЭВМ приведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3

Как видно, она содержит центральный процессор ЦП (имеющий устройство аналогично рассмотренному выше МП), ПЗУ, ОЗУ и устройства ввода и вывода информации. Устройство ввода содержит селектор адреса и так называемые порты ввода для считывания информации с гибкого диска, АЦП, телетайпа, перфоленты. Устройство вывода также содержит селектор адреса и порты вывода информации (дисплею, печатающему устройству, устройству выхода на перфоленту, ЦАП).

Данные, поступающие обустройства ввода, передаются на адресную магистраль обычно в виде 8-разрядных параллельных или последовательных кодовых сигналов через порт ввода. Селектор адреса определяет порт ввода, который передает данные на информационную магистраль в некоторый момент времени. Основная память состоит из ПЗУ и ОЗУ. Постоянное ЗУ используется как память программы, которую разработчик микроЭВМ заранее запрограммировал в соответствии с требованием пользователя. Для различных программ используют различные части ПЗУ.

Памятью данных в микроЭВМ является ОЗУ. Информация, хранящаяся в ОЗУ, стирается, когда отключается напряжение питания. Данные, поступающие в ОЗУ, обрабатываются в ЦП в соответствии с программой, хранящейся в ПЗУ. Результаты операций в ЦП хранятся в специальном накопителе информации, называемом аккумулятором или ОЗУ. Они могут быть выведены по команде через один из портов вывода на устройства вывода, подсоединенные к этому порту. Требуемый порт вывода выбирается с помощью схемы селекции адреса.

4.4. Запоминающие устройства

Важнейшими блоками цифровой аппаратуры являются запоминающие устройства (блоки памяти), которые подразделяются на внешние и внутренние. Внешние ЗУ до сих пор реализуются на магнитных лентах и магнитных дисках. Они обеспечивают неопределенно длительное сохранение информации при отсутствии! питания, а также практически любую необходимую емкость памяти. Внутренние ЗУ являются неотъемлемой частью цифровой аппаратуры. Раньше они выполнялись на основе ферритовых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса. Теперь в связи с разработкой ИС имеются широкие возможности создания полупроводниковыхЗУ.

К устройствам памяти относятся следующие виды запоминающих устройств:

Оперативные запоминающие устройства, выполняющие запись и хранение произвольной двоичной информации. В цифровых системах ОЗУ хранят массивы обрабатываемых данных и программы, определяющие процесс текущей обработки информации. В зависимости от назначения и структуры ОЗУ имеют емкость 10 2 …10 7 бит.

Постоянные запоминающие устройства, служащие для хранения информации, содержание которой не изменяется в ходе работы системы, например используемые в процессе работы стандартные подпрограммы и микропрограммы, табличные значения различных функций, константы и др. Запись информации в ПЗУ производится заводом-изготовителем БИС.

Программируемые постоянные запоминающие устройства являются разновидностьюПЗУ, отличающиеся возможностью однократной записи информации по заданию заказчика.

Репрограммируемые ПЗУ, отличающиеся от обычных возможностью многократной электрической сменой информации, осуществляемой заказчиком. Объем РПЗУ обычно составляет 10 2 …10 5 бит.

К устройствам постоянной памяти (ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ) предъявляется требование сохранности информации при отключении питания.

Основными параметрамиЗУ являются: информационная емкость в битах; минимальный период обращения; минимально допустимый интервал между началом одного цикла и началом второго; максимальная частота обращения - величина, обратная минимальному периоду обращения; удельная мощность - общая мощность, потребляемая в режиме хранения, отнесенная к 1 биту; удельная стоимость одного бита информации - общая стоимость кристалла, поделенная на информационную емкость.

4.5. Оперативные запоминающиеся устройства

Типовая структура БИС ОЗУ приведена на рис. 4.4.

Рисунок 4.4

Рисунок 4.5

Основным узлом является матрица ячеек памяти (МЯП), состоящая из n строк с т запоминающими ячейками (образующими разрядное слово) в каждой строке. Информационная емкость БИС памяти определяется по формуле N = nm бит.

Входы и выходы ячеек памяти подключаются к адресным АШ и разрядным РШ шинам. При записи и считывании осуществляется обращение (выборка) к одной или одновременно к нескольким ячейкам памяти. В первом случае используются двухкоординатные матрицы (рис. 4.5, а), во втором случае матрицы с пословной выборкой (рис. 4.5,6).

Дешифратор адресных сигналов (ДАС) при подаче соответствующих адресных сигналов осуществляет выбор требуемых ячеек памяти. С помощью РШ осуществляется связь МЯП с буферными усилителями записи (БУЗ) и считывания (БМС) информации. Схема управления записью (СУЗ) определяет режим работы БИС (запись, считывание, хранение информации). Схема выбора кристалла (СВК) разрешает выполнение операций записи-считывания данной микросхемы. Сигнал выборки кристалла обеспечивает выбор требуемой БИС памяти в ЗУ, состоящем из нескольких БИС.

Подача управляющего сигнала на вход СУЗ при наличии сигнала выборки кристалла на входе СВК осуществляет операцию записи. Сигнал на информационном входе БУЗ (1 или 0) определяет записываемую в ячейку памяти информацию. Выходной информационный сигнал снимается с БУС и имеет уровни, согласующиеся с серийными ЦИС.

Большие интегральные схемы ОЗУ стремятся на основе простейших элементов ТТЛ, ТТЛШ, МДП, КМДП, И 2 Л, ЭСЛ, модифицированных с учетом специфики конкретных изделий. В динамических ячейках памяти чаще всего используются накопительные емкости, а в качестве ключевых элементов - МДП транзисторы.

Выбор элементной базы определяется требованиями к информационной емкости и быстродействию БИС памяти. Наибольшей емкости достигают при использовании логических элементов, занимающих малую площадь на кристалле: и 2 л, МДП, динамических ЗЯ. Высоким быстродействием обладают БИС с логическими элементами, имеющими малые перепады логических уровней (ЭСЛ, И 2 Л), а также логические элементы ТТЛШ.

Частотные области применения БИС, использующих различные базовые технические решения, иллюстрирует рис. 4.6.

Рисунок 4.6

Благодаря развитию технологии и схемотехники быстродействие элементов непрерывно возрастает, поэтому границы раздела указанных областей с течением времени сдвигаются в область больших рабочих частот.

4.6. Постоянные запоминающие устройства

Схема ПЗУ аналогична схеме ОЗУ (см. рис. 4.4). Отличия состоят лишь в следующем:

ПЗУ используются для считывания информации;

в ПЗУ осуществляется выборка нескольких разрядов одного адреса одновременно (4, 8, 16 разрядов);

информация, записанная в ПЗУ, не может меняться, и в режиме выборки происходит только ее считывание.

Большие интегральные схемы ПЗУ подразделяются на программируемые изготовителем (с помощью специальных фотошаблонов) и программируемые заказчиком (электрически).

Рисунок 4.7

В ПЗУ используется матричная структура: строки образуются адресными шинами ДШ, а столбцы - разрядами РШ. Каждая АШ хранит определенный код: заданную совокупность логических 1 и 0. В МЯП, изображенной на рис. 4.7, а, однократная запись кода осуществляется с помощью диодов, которые присоединены между АЩ и теми РШ, на которых при считывании должна быть логическая 1. Обычно заказчику поставляют ПЗУ с матрицей, во всех узлах которой имеются диоды.

Суть однократного электрического программирования ППЗУ заключается в том, что пользователь (с помощью специального устройства-программатора) пережигает выводы - перемычки тех диодов, которые находятся в местах расположения логических 0. Пережигание выводов осуществляется путем пропускания через соответствующий диод тока, превышающего допустимое значение.

Диодные ПЗУ отличаются простотой, но имеют существенный недостаток, потребляют значительную мощность. Чтобы облегчить работу дешифратора, вместо диодов используют биполярные (рис. 4.7,6) и (рис. 4.7, в) транзисторы.

При использовании биполярных транзисторов АШ обеспечивает протекание базового тока, который в β б.т. +1 раз меньше эмиттерного, питающего РШ. Следовательно, существенно уменьшается необходимая мощность дешифратора.

Еще больший выигрыш обеспечивает применение МДП транзисторов, так как цепь затвора практически не потребляет мощности. Здесь используется не пережигание выводов, а отсутствие металлизации затвора у транзисторов, обеспечивающих считывание логических 0 в разрядной шине.

4.7. Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства

Репрограммируемые ПЗУ являются наиболее универсальными устройствами памяти. Структурная схема РПЗУ аналогична схеме ОЗУ (см. рис. 4.4). Важной отличительной особенностью РПЗУ является использование в МЯП транзистора специальной конструкции со структурой «металл-нитрид-окисел-полупроводник» (МНОП). Принцип действия такой ячейки памяти основан на обратимом изменении порогового напряжения МНОП транзистора. Например, если сделать U ЗИпор >U АШ, то транзистор не будет отпираться адресными импульсами (т. е. не участвует в работе). В то же время другие МНОП транзисторы, у которых U ЗИпор

Структура МНОП транзистора с индуцированным каналом р -типа показана на рис. 4.8, а.